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Verfahren zur Erfassung eines elektrischen Verbrauchs Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen des Volt-Ampere-Verbrauchs
oder ganz allgemein eines Verbrauchs, der sich als das Produkt zweier Veränderlicher
darstellt.
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In Wechseistromanlagen ist die Messung des Volt-Ampere-Stundenverbrauchs
an Stelle des Wattstundenverbrauchs von wachsender Wichtigkeit, weil dabei der Leistungsfaktor
mit berücksichtigt wird.
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Einrichtungen zum Messen der Volt-Ampere-Stunden sind jedoch im Vergleich
zu den Wattstundenzählern ziemlich kostspielig, und dies hat dazu geführt, in der
Praxis die Verwendung von Tarifen, die auf dem Volt-Ampere-Stundenverbrauch basiert
sind, zu beschränken. Die Erfindung bezweckt in erster Linie, die Messung des Volt-Ampere-Verbrauchs
mit weniger kostspieligen Einrichtungen zu erzielen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines elektrischen
Verbrauchs, der sich als Produkt zweier Veränderlicher darstellt, insbesondere für
die Ermittlung der mittleren Belastung. Erfindungsgemäß wird die eine Veränderliche
jeweils über Zeitintervalle integriert, die in Abhängigkeit von der anderen Veränderlichen
derart verschiedene Längen aufweisen, daß der Integralwert dem tatsächlichen Verbrauch
während eines bestimmten, für den Normalwert der zweiten Veränderlichen zugrunde
gelegten Zeitintervalle entspricht.
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Nach der Erfindung werden die Volt-Ampere-Stunden nicht unmittelbar
gemessen, aber es wird eine Feststellung des Volt-Arnpere-Stundenverbrauchs durch
die Messung einer Menge erzielt, die dem Amperestundenverbrauch über mit der Spannung
ver-
änderliche Zeitintervalle proportional ist. Die Verhältnisse
lassen sich dabei so wählen, daß Verbrauchswerte erhalten werden, die den Volt-Ampere-Stundenverbrauchsmessungen
über feste Zeitintervalle entsprechen. Die benutzte Einrichtung besteht zunächst
in einem Verbrauchszähler, der Amperestunden mißt und den Volt-Ampere-Stundenverbrauch
anzeigt, wenn die Spannung ihren normalen Wert dauernd beibehält. Weiterhin ist
eine Vorrichtung zum Einstellen der Zeitintervalle vorgesehen, um die Zeitintervalle
zu erhalten, über die der Verbrauch gemessen wird. Diese Vorrichtung ist ein Zeitmesser,
der aber auch von Spannungsänderungen abhängig ist, so daß er die Normalzeit nur
genau mißt, wenn die Spannung konstant auf ihrem vorbestimmten Normalwert gehalten
wird. Sofern die Spannung um einen gewissen Prozentbetrag über den Normalwert ansteigt,
läuft die Vorrichtung zur Bestimmung der Meßdauer um denselben Prozentbetrag langsamer,
so daß der Stromintegralweft größer wird und umgekehrt, sofern die Spannung um einen
gewissen Prozentbetrag zu niedrig ist, läuft die Vorrichtung zur Bestimmung der
Meßdauer um den gleichen Prozentbetrag schneller, so daß das Stromintegral kleiner
wird. Die Verbrauchsmessungen entsprechen dem Volt-Ampere-Verbrauch über die richtigen
Zeitintervalle.
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Zum Beispiel mag angenommen werden, daß ein Stromkreis in Betracht
kommt, in dem der Strom 10 Ampere und die Spannung normal YIO Volt beträgt und der
Volt-Ampere-Stundenverbrauch dieses Stromkreises für je 30 Minuten gemessen werden
soll.
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Falls die Spannung ihren Normalwert behält, ist das Zeitintervall
von dem Zeitmesser mit 30 Minuten gegeben und während dieses Intervalls registriert
der Zähler 10 X Je X 30 = 550 VAh. Wächst die Spannung auf 121 Volt, also um 10
°/o an, läuft der die Amperestunden messende Zähler unverändert weiter, aber der
Zeitmesser andererseits läuft um Io 0/o langsamer, so daß das Zeitintervall 33 Minuten
an Stelle von 30 Minuten und in diesem Intervall das Messungsergebnis 10 X 110 X
33 = 605 VAh wird. Dieses 60 Ergebnis ist dem Volt-Ampere-Verbrauch über ein Intervall
von 30 Minuten gleichwertig, da dieser mit Io>c T21 X 30 - 605 VAh gegeben ist.
Bei einer5% 6o -zu niedrigen, also 104,5 Volt betragenden Spannung würde der Zeitmesser
um 5 0/o zu rasch laufen, und die Zeitintervalle würden infolgedessen nur 28,5 Minuten
betragen, wobei sich dann das Messungsergebnis mit 10 X 110 X 28,5 = 522,5 VAh entsprechend
einem 30-Mi-60 nuten-Verbrauch von 10 X 104,5 X 30/60 = 522,5 VAh darstellen würde.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung ist diese in der Zeichnung
durch Ausführungsbeispiele veranschaulicht.
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In der Fig. I bedeutet 10 die umlaufende Ankerscheibe eines Amperestundenzählers
mit den feststehenden Triebmagneten 11 und I2, die proportional mit dem in demWechselstromkreis
I3 fließenden Strom erzeugt werden. Hierdurch ergibt sich ein Drehmoment proportional
dem Quadrat des Stromes und um eine dem Strom proportionale Geschwindigkeit zu erhalten,
ist daher ein Bremsmoment vorgesehen, das mit dem Quadrat der Scheibengeschwindigkeit
anwächst. Letzteres kann beispielsweise durch eine Flügelbremse erzielt werden,
wie sie bei 14 auf der Zählerwelle 15 angedeutet ist. Ein solcher Zähler mißt Amperestunden
und kann mit einem Amperestundenzählwerk I6 versehen sein. Er ist mit irgendeiner
geeigneten, den Verbrauch messenden Vorrichtung verbunden. In der Fig. I treibt
die Zählerwelle ein Zahnrad I7 an, das auf der Welle 15 derart beweglich angeordnet
ist, daß es in und außer Eingriff mit einem zweiten Zahnrad gebracht werden kann.
Das Zahnrad I8 treibt über ein geeignetes Getriebe, wie es bei 19 angedeutet ist,
einen Mitnehmer 20 im Vorwärtssinn an. Hierbei wird eine Feder 2I gespannt, die
dazu dient, den Mitnehmer 20 in seine Ausgangslage an einem Anschlag 22 zurückzubringen,
wenn die Getrieberäder I7 und I8 außer Eingriff gebracht werden.
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Während des Intervalls, in dem sich die Räder 17 und I8 im Eingriff
befinden, wird der Anschlag 20 im Uhrzeigersinn verstellt nach Maßgabe der Umlaufbewegung
des Amperestundenzählers und bewegt dabei einen Schleppzeiger 23 im Vorwärtssinn
vor einer Skala 24, die für die Anzeige des Volt-Ampere-Stundenverbrauchs ausgebildet
ist. Wenn der Mitnehmer 20 in seine Ausgangsstelle zurückkehrt, bleibt der Zeiger
23 in der erreichten Stellung stehen. In einem späteren Intervall wird der Mitnehmer
20 den Zeiger jeweils weiter skalenaufwärts verschieben, sofern der Verbrauch der
vorhergehenden Intervalle überschritten worden ist. Am Ende eines Monats oder einer
Woche oder irgendeiner anderen gewünschten Zeitperiode wird die maximale Verstellung
des Zeigers abgelesen, worauf er bis zum Anschlag gegen den Mitnehmer 20 nach dem
Nullpunkt hin zurückgestellt wird. Sofern die Getrieberäder I7 und r8 z. B. alle
30 Minuten kurzzeitig außer Eingriff gebracht werden, würde der Zeiger 23 den maximalen
30-Minuten-Verbrauch für den Amperestundenzähler anzeigen.
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Bei gewöhnlichen Verbrauchsmessern ist ein genaues Zeitwerk vorgesehen,
um das kurzzeitige Außereingrifforingen der Zahnräder nach einer festgelegten Zeitdauer
zu bewirken. Demgegenüber ist erfindungsgemäß die Zeitmesservorrichtung so ausgebildet,
daß die von ihr bestimmte Zeitdauer durch Spannungsänderungen in dem Stromkreis
I3 verändert wird, so daß die Intervalle zwischen dem kurzzeitigen Außereingriffbringen
der Zahnräder spannungsabhängig sind. Hierzu ist ein Zeitwerk 25 vorhanden, das
beispielsweise durch einen Synchronmotor gegeben sein kann, der von dem Stromkreis
I3 gespeist wird und an sich einen zeitgenauen Ablauf ergibt. Dieses Zeitwerk treibt
ein Zahnrad 26 über ein Differential 27. Das Zahnrad 26 wiederum treibt eine Formscheibe
28 über ein Rad 29. Die Scheibe 28 ist so geformt und angeordnet, daß sie beim Umlaufen
an einer Stelle einen Hebel 30 kurzzeitig betätigt zu dem Zweck, das Rad I7 für
kurze Zeit anzuheben, so daß
es außer Eingriff mit dem Rad I8 kommt
und die Feder 21 den Mitnehmer 20 in die Ausgangslage am Anschlag 22 zurückbringen
kann. Der Hebel 30 ist bei 3I gelagert.
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Das Planetenrad des Differentials 27 wird durch einen Induktionsmotor
mit abgeschatteten Polen angetrieben, der eine umlaufende Scheibe 32 aus leitendem
Material, einen feststehenden Triebmagneten 33 mit abgeschatteten Polen und einen
Bremsmagneten 34 aufweist. Der Magnet 33 ist durch eine Spule erregt, die an der
Spannung des Stromkreises I3 liegt. Der Motor ist so ausgeführt und belastet, daß
er in dem Bereich der zu erwartenden Spannungsänderungen mit einer Geschwindigkeit
läuft, die der Spannung des Stromkreises I3 proportional ist. Auf diese Weise wird
durch den Motor eine Veränderliche in die andernfalls konstante, über das Differential
27 erhaltene Antriebsgeschwindigkeit eingeführt. Die Umlaufrichtung der Ankerscheibe
32 ist derart, daß die Umlaufbewegung, die von ihr auf das Differential übertragen
wird, von der Umlaufbewegung subtrahiert wird, die dieses durch den mit gleichbleibender
Geschwindigkeit laufenden Zeitwerksmotor 25 erfährt, und die Scheibe 28 wird demgemäß
mit einer Geschwindigkeìt angetrieben, die proportional der Differenz zwischen der
Geschwindigkeit des Zeitwerksmotors 25 und des Induktionsmotors ist. Wenn z. B.
das der Verbrauchsmessung zugrunde gelegte Zeitintervall 30 Minuten beträgt, wird
die Scheibe 28 einen Umlauf in 30 Minuten ausführen, sofern die Spannung im Stromkreis
I3 den Normalwert hat.
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Der Zeitwerksmotor 25 für sich; bei festgehaltener Ankerscheibe 32
des Induktionsmotors, würde dabei in 30 Minuten die Scheibe 28 so antreiben, daß
sie beispielsweise zwei Umdrehungen im Vorwärtssinn ausführt. Andererseits würde
bei festgehaltenem Zeitwerksmotor 25 der mit normaler Spannung erregte Induktionsmotor
die Scheibe 28 in 30 Minuten um einen vollen Umlauf rückwärts drehen. Aus der Zusammensetzung
beider Bewegungen erhält man die normale Umlaufsgeschwindigkeit der Scheibe 28 entsprechend
dem Differenzbetrag von einer Umdrehung in 30 Minuten.
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Die Skala 24 ist für den Volt-Ampere-Verbrauch in 30 Minuten bei
normaler Spannung ausgeführt.
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Wenn beispielsweise der Strom 10 Ampere und die Spannung normal 110
Volt beträgt, würde der Mitnehmer 20 den Zeiger 23 skalenaufwärts in 30 Minuten
bis zu o,55 kVAh verstellen, weil 110 Volt mal 10 Ampere mal ll2 Stunde 0,55 kVAh
ausmacht. Ist die Spannung 10% zu hoch, so daß sie 121 Volt beträgt, während der
Strom durch die Zählerspulen II und 12 bei 10 Ampere verbleibt, wird der Mitnehmer
20 natürlich genau im selben Maße wie vorher vorwärts verstellt, aber das für die
Verbrauchsmessung maßgebliche Intervall wird statt 30 Minuten 33 Minuten sein, weil
die Ankerscheibe 32 des Induktionsmotors bei der höheren Spannung so viel schneller
läuft; es werden infolgedessen 110 X 10 X 33/60 = 0,605 kVAh gemessen entsprechend
dem für den Stromkreis I3 121 X 10 X 30 aus sich errechnenden kVAh-Betrag. Bei 60
zu niedriger Spannung im Stromkreis 13, beispielsweise 104,5 Volt, wird das Zeitintervall
für die Verbrauchsmessung auf 281/2 Minuten verkürzt, und der angezeigte kVAh-Betrag
wird 110 X 10 X 28,5/60 = 0,5225 entsprechend 104>5 X 10 X 30 Da die in Betracht
kommen 60 den kVAh-Beträge auf gleiche Zeitintervalle, nämlich 30 Minuten, bezogen
werden, ergeben sie zugleich den mittleren kVA-Wert für dieses Zeitintervall, so
daß dieser, wie auch sonst bei Maximumanzeigern, unmittelbar durch die Skala angezeigt
werden kann.
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Weil bei den heutigen Verteilungsanlagen die Spannung nicht sehr
erheblich schwankt, braucht die Geschwindigkeitsänderung für die Zeitmeßvorrichtung
nicht sehr groß zu sein, und über den in Betracht kommenden Bereich läßt sich die
Ausführung immer so treffen, daß die Geschwindigkeitsänderungen sich den Spannungsänderungen
anpassen. Bei den beiden vorerwähnten Beispielen war angenommen, daß die Spannung
während eines vollen Verbrauchsintervalls 10 °/0 zu hoch bzw. 5 °lO zu niedrig war.
Das sind aber in Wirklichkeit ganz ungewöhnliche Spannungsänderungen. Im allgemeinen
wird man damit rechnen können, daß die Spannungsänderungen gegenüber dem Normalwert
viel geringer sind und während eines Verbrauchsintervalls teils oberhalb, teils
unterhalb des Normalwertes liegen, so daß die durch Spannungsänderungen bedingten
Geschwindigkeitsänderungen des Zeitmessers nur mit einem während eines Verbrauchsintervalls
sich einstellenden Mittelwert auftreten und das Zeitintervall von dem normalen,
beispielsweise mit 30 Minuten angenommenen, infolgedessen kaum erheblich abweicht.
Danach ist es möglich, den festgestellten Volt-Ampere-Verbrauch auf einem mit Zeitteilung
versehenen Registrierstreifen aufzuzeichnen.
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Die Schreibfeder 35 wird hierbei nach Fig. I mit dem Mitnehmer 20
zusammen verstellt und wirkt auf einen Registrierstreifen 36, um die Verbrauchsmessungen
zu registrieren. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann ein solcher Registrierstreifen
die gewöhnliche Zeitteilung 37 an seinem Rand aufweisen und während der angenommenen
normalen Zeitintervalle genau um den Abstand zwischen den Teilstrichen bewegt werden.
Falls ein genaues Zeitwerk für die Zeitmeßvorrichtung benutzt wird, wie in Fig.
1, kann dieses zugleich Verwendung finden, um den Registrierstreifen durch das mit
38 bezeichnete, beispielsweise durch Riemen und Rollen gebildete Getriebe anzutreiben.
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Aus der Fig. 2 ist zu ersehen, daß die Verbrauchslinien 39 nicht
einheitlichen Abstand besitzen. So ist der Abstand bei I geringer als bei h. Diese
Änderung im Abstand ist eine unmittelbare Anzeige für die mittlere Spannung während
der verschiedenen Zeitintervalle. Der Abstand bei h, der etwas größer ist als die
Zeitteilung, läßt in dieser Beziehung entnehmen, daß während der Zeit, in der die
Registrierung erfolgte, die mittlere Spannung oberhalb des Normalwertes lag, während
der Abstand bei 1, der etwas geringer ist als die Zeitteilung, zum Ausdruck bringt,
daß die mittlere Spannung unterhalb des Normalwertes gelegen hat. Es ist bemerkenswert,
festzu-
stellen, daß während des verhältnismäßig kurzen Zeitintervalls
1, als die Spannung zu niedrig war, die Verbrauchsmessung 3ga ein recht hohes Ergebnis
hatte, wohingegen bei dem längeren Zeitintervall h, durch das eine hohe mittlere
Spannung angezeigt wird, die Verbrauchsmessung 39b einen nur geringen Betrag ergeben
hat. Wo sich derartige Verhältnisse als charakteristisch bei den Registrierungen
einstellen, zeigt dies, daß die stärkeren Volt-Ampere-Belastungen, wie bei 39a,
die dabei gemessene Spannung herunterdrücken und daß wahrscheinlich Verhältnisse
vorliegen, die eine Untersuchung und Abhilfe erfordern.
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Derartige Registrierstreifen ergeben auf diese Weise neben der Registrierung
des Volt-Ampere-Verbrauchs wertvolle Einblicke.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist als Zeitwerk eine mittels
Feder angetriebene Gangregleruhr benutzt, und es sind in Verbindung damit Mittel
vorgesehen, um den Ablauf dieser Uhr derart in Abhängigkeit von Spannungsänderungen
zu bringen, daß sie zu langsam läuft, wenn die Spannung zu hoch ist und zu schnell,
wenn die Spannung zu niedrig ist.
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Eine solche Uhr kann, wenn sie den Spannungsänderungen richtig angepaßt
ist, für die Erzielung der veränderlichen Zeitintervalle bei der Volt-Ampere-Messung
gemäß der Erfindung benutzt werden. In der Fig. 3 bedeutet 40 die Hauptfeder der
Uhr und es ist angenommen, daß diese durch einen kleinen, aus dem Stromkreis I3
gespeisten Induktionsmotor 41 aufgezogen werden kann. Die Feder 40 treibt die Formscheibe
28 mit einer Geschwindigkeit an, die durch den Gangreglermechanismus 42 und das
Getriebe 43 bestimmt ist. 44 stellt die Unruhefeder und 45 das Unruherad dar. Diese
Teile sind von bekannter Bauart, so daß sich eine weitere Erläuterung dazu erübrigt.
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Um die Ablaufgeschwindigkeit des Uhrwerkes in Abhängigkeit von den
Spannungsänderungen des Stromkreises I3 zu beeinflussen, ist ein Hebel 46 vorgesehen,
durch den die wirksame Länge der Feder 44 geändert werden kann. Auf den Hebel 46
wirkt dabei eine spaunungsabhängige Vorrichtung. Diese besteht im wesentlichen aus
einem Spannungsmessersystem mit den Feldspulen 48, die unter Vorschaltung einer
einstellbaren Impedanz 49 an der Spannung des Stromkreises I3 liegen, einem Eisenanker
50 auf einer Welle 51 und einer Spiralfeder 52, die einer Drehung der Welle gI durch
das Drehmoment des Spannungsmessers entgegenwirkt. Der Hebel 46 ist mit der Welle
51 verbunden und mit Fingern 53, 54, 55, 56 versehen, die so angeordnet sind, daß
sie je nach der Lage, welche die Welle 51 in Abhängigkeit von der Spannung einnimmt,
gegen verschiedene Stellen der Feder 44 zum Anliegen kommen.
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Wenn die Feder eines Unruhereglers verkürzt wird, ergibt dies einen
schnelleren Ablauf und umgekehrt.
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Die Feder 52 sucht nun die Welle 5I im Uhrzeigersinn zu drehen entgegen
dem Drehmoment, das von dem Spannungsmesser selbst hervorgebracht wird und im Gegenuhrzeigersinn
wirkt. In der Abbildung ist angenommen, daß der Stromkreis I3 normale Spannung aufweist
und die Uhr mit einer Geschwindigkeit läuft, die dem normalen Zeitintervall entspricht.
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Hierbei wird der Finger 53 fest gegen die Feder 44 gepreßt, so daß
das äußere oder feste Federende an dieser Stelle festgelegt ist. Der Finger 54 liegt
leise gegen die Feder 44 an und bewirkt, sobald er wirksam wird, eine Kürzung der
Feder 44 um nahezu eine Windung. Tatsächlich ist aber der Finger 44 nur teilweise
wirksam, weil bei schwingender Unruhe die Windungen der Feder sich nach der Mitte
hin und von dieser weg bewegen. Der Finger 54 wird danach die Feder 44 nur während
eines Teiles der Zeit berühren, während zu anderen Zeiten die wirksame Länge der
Feder durch den Finger 53 bestimmt ist.
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Wenn die Spannung abnimmt, wird die Welle 51 im Uhrzeigersinn verstellt
werden: Hierdurch wird zunächst der Finger 54 fester gegen die Feder 44 angepreßt,
weiterhin dann auch der Finger 55, so daß ihre Länge vermindert wird. Bei noch niedrigeren
Spannungen schließlich wird der Finger 56 gegen die nächste innere Windung der Feder
treffen. Die wirksame Länge der Feder wird auf diese Weise allmählich verkürzt und
damit die Laufgeschwindigkeit des Uhrwerkes erhöht.
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Bei Spannungen oberhalb der Normalen wird der Hebel 46 im Uhrzeigersinn
aus der gezeichneten Lage verstellt werden, wodurch allmählich die wirksame Länge
der Feder verlängert und die Uhrengeschwindigkeit verlangsamt wird. Die Uhr kann
damit so reguliert werden, daß ihre Ablaufgeschwindigkeit sich umgekehrt mit der
Spannungsänderung in dem in Frage kommenden Spannungsbereich ändert, und sie kann
infolgedessen dazu dienen, die veränderlichen Zeitintervalle zu liefern, die für
eine Volt-Ampere-Verbrauchsmessung nach der Erfindung erforderlich sind.
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Gegebenenfalls kann einer der Finger, beispielsweise 54, sich so
weit erstrecken, daß bei Ausbleiben der Spannung eine Berührung des Unruherades
45 eintritt und die Uhr während des Wegfalls der Spannung gesperrt wird. Dies erübrigt
sich im Fall einer Anordnung nach Fig. I, weil dort beim Ausbleiben der Spannung
die beiden Motoren 25, 32 ohne weiteres zum Stillstand kommen.